МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Цифровая и микропроцессорная техника
рабочая программа дисциплины

Закреплена за кафедройКафедра вычислительной техники и электроники
Направление подготовки09.03.01. Информатика и вычислительная техника
ПрофильИнформатика и вычислительная техника
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость5 ЗЕТ
Учебный план09_03_01_ИиВТ-1-2020
Часов по учебному плану 180
в том числе:
аудиторные занятия 72
самостоятельная работа 81
контроль 27
Виды контроля по семестрам
экзамены: 5

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 3 (5) Итого
Недель 18
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 18 18 18 18
Лабораторные 36 36 36 36
Практические 18 18 18 18
Сам. работа 81 81 81 81
Часы на контроль 27 27 27 27
Итого 180 180 180 180

Программу составил(и):
к.ф.-м.н., доцент, Матющенко Ю.Я.

Рецензент(ы):
к.ф.-м.н., доцент, Рудер Д.Д.

Рабочая программа дисциплины
Цифровая и микропроцессорная техника

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 09.03.01 Информатика и вычислительная техника (уровень бакалавриата) (приказ Минобрнауки России от 19.09.2017г. №929)

составлена на основании учебного плана:
09.03.01 Информатика и вычислительная техника
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра вычислительной техники и электроники

Протокол от 08.06.2020 г. № 79/19-20
Срок действия программы: 2020-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
к.ф.-м.н., доц. Пашнев Владимир Валентинович

Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании кафедры

Кафедра вычислительной техники и электроники

Протокол от 08.06.2020 г. № 79/19-20
Заведующий кафедрой к.ф.-м.н., доц. Пашнев Владимир Валентинович

1. Цели освоения дисциплины

1.1.Цель изучения дисциплины – формирование у будущих бакалавров теоретических знаний об общих принципах работы с логическими функциями и цифровыми схемами, ознакомление с основами цифровой схемотехники и типовыми методиками проектирования цифровых устройств, приобретение практических навыков анализа и синтеза цифровых и микропроцессорных узлов и схем.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.02

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ПК-2: Способен осуществлять концептуальное, функциональное и логическое проектирование систем среднего и крупного масштаба и сложности;
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.об основных разновидностях и схемотехнике функциональных узлов цифровой и микропроцессорной техники;
о современном состоянии и перспективах развития цифровой и микропроцессорной техники
3.2.Уметь:
3.2.1.обладать базовыми знаниями по выбору элементной базы и схемных решений при разработке цифровых устройств разной степени сложности и назначения;
владеть технологиями проектирования и разработки различных функциональных узлов цифровой и микропроцессорной техники;
владеть технологиями разработки алгоритмов функционирования цифровых и микропроцессорных устройств
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.навыками практической работы с документацией и справочной информацией по цифровым и микропроцессорным устройствам;
методами проектирования конкретных устройств в соответствии с техническим заданием;
способами создания и отладки программ для микропроцессора на языке низкого уровня

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Введение. Алгебра логики. Логические уровни. Логика состояний. Бинарная логика.
1.1. Основные понятия булевой алгебры. Логические переменные, логические функции. Реализация булевой функции с помощью переключательных и электронных схем. Теоремы булевой алгебры. Конъюнкции и дизъюнкции, канонические формы. Карты Карно, упрощение функций. Понятие базиса, представление функций в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Смешанные схемы, элементы с тремя состояниями, схемы с открытым коллектором, расширение элементов. Лекции 5 2 Л1.1, Л2.2, Л3.1
1.2. Применение основных теорем и аксиом булевой алгебры Отрицание функции. Р-и S- термы. Канонические представления функций в виде Р-термов. Карты Карно. Упрощение дизъюнктивных нормальных форм. Базис И-НЕ. Реализация дизъюнктивных форм с помощью И-НЕ. Расширение элементов, смешанные схемы. Функции равнозначности и неравнозначности. Канонические представления функций в виде S-термов. Отображение S-термов на картах Карно. Инверсная функция. Базис ИЛИ-НЕ. Реализация конъюнктивных и дизъюнктивных форм в базисе ИЛИ-НЕ. Практические 5 2 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л3.1
1.3. Решение задач с использованием базовых теорем булевой алгебры. Составление таблиц истинности функций. Реализация функций в различных базисах. Представление и упрощение функций с помощью карт Карно. Получение канонических форм алгебраически и с помощью карт Карно. Минимизация функций и отрицаний функций с использованием ТНБ. Сам. работа 5 16 Л1.1, Л2.2, Л3.1
Раздел 2. Проектирование комбинационных логических схем.
2.1. Комбинационные логические схемы. Полусумматор, сумматор, расширение разрядности. Двоичное кодирование, обратный код, дополнительный код. Сложение и вычитание чисел. Умножение. Преобразование кодов. Лекции 5 1 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л3.1
2.2. Проектирование простых дешифраторов. Проектирование преобразователей кода. Практические 5 2 Л1.1, Л2.2, Л3.1
2.3. Лабораторная работа №1: Комбинационные логические схемы.Проектирование и реализация на макетных платах КЛС из методических указаний. Работа с измерительными приборами. Лабораторные 5 10 Л1.1, Л2.2, Л3.1
2.4. Разработка и реализация в заданных базисах различных преобразователей кода (NBCD в XS3,(NBCD в дополнительный и т.п.) Сам. работа 5 16 Л2.1, Л1.1, Л3.1
Раздел 3. Проектирование на основе микросхем средней степени интеграции.
3.1. Мультиплексор, функции и применение. Уравнение мультиплексора. Расширение входов. Мультиплексор как генератор логических функций. Дешифратор и демультиплексор. ОЗУ, ПЗУ. Способы адресации ПЗУ. ПЛМ. Логические схемы на основе ПЗУ и ПЛМ. Лекции 5 2 Л2.1, Л1.1, Л3.1
3.2. Реализация функций трех и четырех переменных на 4-х и 8-ми входовом мультиплексоре. Выбор оптимального варианта. Проектирование полного 4-х разрядного сумматора на мультиплексорах. Реализация различных преобразователей кода на ПЗУ и ПЛМ. Определение необходимой емкости и организации ПЗУ и ПЛМ. Сам. работа 5 12 Л2.1, Л1.1, Л3.1
Раздел 4. Ситуации риска при проектировании цифровых схем.
4.1. Статический риск. Виды статического риска. Выявление ситуаций статического риска. Схемы, гарантированные от статического риска. Динамический риск. Выявление и способы устранения динамического риска. Лекции 5 1 Л1.1, Л2.2, Л3.1
4.2. Определение и устранение статического риска. Построение гарантированных от риска схем в базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Определение наличия динамического риска. Варианты устранения динамического риска. Практические 5 4 Л1.1, Л2.2, Л3.1
4.3. Анализ схем на присутствие разного рода рисков (статического, динамического). Избавление от ситуаций риска при проектировании логических схем. Сам. работа 5 2 Л1.1, Л2.2, Л3.1
Раздел 5. Последовательные схемы. Элементы памяти (триггеры). Схемы, проектируемые при помощи триггеров.
5.1. Лабораторная работа №2: Последовательные схемы.Практическая реализация и изучение функционирования триггерных схем, счетчиков, регистров. Лабораторные 5 10 Л1.1, Л2.2, Л3.1
5.2. Элементы памяти. Триггеры. Уравнение для запирания и отпирания триггера. RS- триггер. T, D, JK триггеры, таблицы истинности и уравнения. Счетчики. Двоичные счетчики. Счетчики по модулю 2,4,8…,2^n. Двоично-десятичные счетчики. Кольцевые счетчики, счетчики с автосбросом. Регистры. Регистры сдвига. Обратная связь в регистрах. Счетчики на основе сдвиговых регистров. Генераторы последовательности на сдвиговых регистрах. Генератор псевдослучайной последовательности. Метод скачка. Лекции 5 2 Л2.1, Л1.1, Л3.1
5.3. Стандартные типы триггеров. Проектирование триггеров. Проектирование синхронных и асинхронных счетчиков. Проектирование счетчиков и генераторов на сдвиговых регистрах. Практические 5 6 Л2.1, Л1.1, Л3.1
5.4. Варианты реализации двухступенчатых триггеров. Временные диаграммы работы стандартных триггеров. Принцип динамической записи. Многоразрядные счетчики на микросхемах. Надежный сброс в асинхронных счетчиках. Свойства кольцевого счетчика и счетчика Джонсона. Генератор псевдослучайной последовательности с заданной функцией обратной связи. Сам. работа 5 8 Л2.1, Л1.1, Л3.1
Раздел 6. Проектирование синхронных последовательных схем.
6.1. Лабораторная работа №3: Методы проектирования на основе микросхем средней степени интеграции. Лабораторные 5 8 Л1.1, Л2.2, Л3.1
6.2. Синхронные последовательные схемы. Постановка задачи. Алгоритм проектирования. Способы сокращения состояний. Кодирование состояний. Автоматы Мили и Мура. Лекции 5 2 Л1.1, Л2.2, Л3.1
6.3. Проектирование синхронных последовательных схем. Алгоритм проектирования. Практические 5 2 Л1.1, Л2.2, Л3.1
6.4. Обоснование выбора синхронной схемы вместо асинхронной для реализации конкретного ТЗ. Последовательность проектирования синхронной схемы. Сам. работа 5 7 Л1.1, Л2.2, Л3.1
Раздел 7. Проектирование асинхронных последовательных схем.
7.1. Асинхронные последовательные схемы. Определение, постановка задачи и алгоритм проектирования. Сокращение состояний. Гонки и циклы. Противогоночное кодирование состояний. Лекции 5 2 Л1.1, Л2.2, Л3.1
7.2. Проектирование асинхронных схем на примере счетчика клиентов предприятия. Практические 5 2 Л1.1, Л2.2, Л3.1
7.3. Анализ асинхронной схемы на наличие циклических переходов (циклов). Варианты устранения циклов. Обнаружение и устранение гонок в асинхронных схемах. Сам. работа 5 6 Л1.1, Л2.2, Л3.1
Раздел 8. Микропроцессоры. Введение.
8.1. Принцип декомпозиции академика Глушкова. Построение упрощенного микропроцессора (МП)на примере устройства двоичного умножения с программным управлением. Обобщенная структурная схема микропроцессорной системы. Понятие архитектуры МП. Принципы фон Неймана. Фоннеймановская, гарвардская архитектуры. Основные технические характеристики МП. Классификация МП. Лекции 5 2 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л3.1
8.2. Понятие микропроцессорного комплекта (МПК). Классификация МПК. Обзор популярных МПК. Однокристальные микроконтроллеры. Сам. работа 5 6 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л3.1
Раздел 9. Однокристальный 8-ми разрядный МП на примере I8080 (КР580ВМ80).
9.1. азработка программ для МП 580ВМ80 на языке ассемблера Лабораторные 5 8 Л2.1, Л1.1, Л3.1
9.2. МП I8080 (КР580ВМ80). Структурная схема. Программная модель. Регистры. АЛУ. Последовательность выполнения команды в МП КР580ВМ80 (пример). Организация памяти. Организация ввода/вывода. Стек. Система команд. Типы и форматы команд. Способы адресации. Командный цикл. Машинные такты и машинные циклы. Типы машинных циклов. Байт состояния. Особые режимы работы (прерывание, ПДП, останов). Структурная схема блока центрального процессора на микропроцессорном комплекте серии 580. Лекции 5 2 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л3.1
9.3. Временные диаграммы обмена машинных циклов МП I8080(выборка, прерывание, ПДП, останов). Последовательность обработки запросов прерываний. Сам. работа 5 4 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л3.1
Раздел 10. Организация вычислительных систем на базе МП Intel 80х86.
10.1. 16-разрядные МП компании Intel. МП i8086. Основные характеристики. Минимальный и максимальный режим. Структурная схема. Организация памяти. Распределение памяти. Организация ввода/вывода. Программная модель. Регистры. Прерывания МП i8086. 32-разрядные МП. Основные характеристики. Режимы работы. Сегментная и страничная организация памяти. Формирование физического адреса в защищенном режиме. Основные характеристики, архитектурные и схемотехнические особенности 64-разрядных МП компании Intel. Лекции 5 2 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л3.1
10.2. Обзор современных МП компании Intel. Сравнительный анализ технических характеристик и функциональных возможностей МП компаний-конкурентов Intel. Сам. работа 5 4 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л3.1
Раздел 11. Аттестация
11.1. Экзамен 5 27 Л2.1, Л1.1, Л2.2, Л3.1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания
Контрольная работа №1. Базовые логические элементы. Синтез цифровых узлов на микросхемах малой степени интеграции.
Контрольная работа №2. Анализ и синтез цифровых узлов на микросхемах средей степени интеграции.
Контрольная работа №3. Синхронные и асинхронные последовательные схемы.
5.2. Темы письменных работ (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
Не требуется
5.3. Фонд оценочных средств
ФОС приведен в Приложении
Приложения
Приложение 1.   ЦМПТ_практикум.pdf

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Ю.В. Новиков Введение в цифровую схемотехнику: учебное пособие ИНТУИТ; Бином, 2007 http://biblioclub.ru/index.php?page=book_view_red&book_id=233202
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Хартов В.Я. Микропроцессорные системы: учеб. пособие для вузов М.: Академия, 2010
Л2.2 Мышляева И.М. Цифровая схемотехника: Учебник для сред. проф. образования М.: Издательский центр «Академия», 2005
6.1.3. Дополнительные источники
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л3.1 Матющенко Ю. Я. Цифровая и микропроцессорная техника: Практикум Барнаул : АлтГУ, 2017 http://elibrary.asu.ru/handle/asu/4152
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 Новиков Ю.В. Введение в цифровую схемотехнику: учебное пособие. – М.: ИНТУИТ; БИНОМ, 2007. http://biblioclub.ru/index.php?page=book_view_red&book_id=233202
Э2 Матющенко Ю.Я. Цифровая и микропроцессорная техника. Практикум.- Издательство АлтГУ, 2017 http://elibrary.asu.ru/xmlui/bitstream/handle/asu/4152/read.7book?sequence=3
Э3 Единый образовательный портал АлтГУ. Курс «Цифровая и микропроцессорная техника» http://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=2584
Э4 Новиков Ю.В. Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники: учебное пособие. – М.: ИНТУИТ; БИНОМ, 2009. http://www.intuit.ru/studies/courses/3/3/info
Э5 Курс ЦМПТ на Едином образовательном портале АлтГУ в среде Moodle https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=2584
6.3. Перечень программного обеспечения
Open Office – Условия использования по ссылке http://www.openoffice.org/license.html
LibreOffice
Условия использования: https://ru.libreoffice.org/about-us/license/
7-zip
Условия использования: https://www.7-zip.org/license.txt
Acrobat Reader
Условия использования: http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf
Mozila FireFox
Условия использования: https://www.mozilla.org/en-US/about/legal/eula/
Chrome
Условия использования: http://www.chromium.org/chromium-os/licenses
Microsoft Windows
6.4. Перечень информационных справочных систем
1 Федеральная служба государственной статистики РФ [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.gks.ru/.
2 Федеральный портал по научной и инновационной деятельности [Электронный ресурс]. -Электронные данные. - Режим доступа: http://www.sci-innov.ru/.
3 Научная и учебно-методическая литература [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.intuit.ru.
4 Научный журнал «Вестник Российской академии естественных наук» [Электрон-ный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://www.ras.ru/publishing/rasherald/rasherald_archive.aspx.
5 Научный журнал «Интеграл» [Электронный ресурс]. - Электронные
данные. – Режим доступа: http://www.portalnano.ru/read/databases/publication/journal_integral.
6 Научный журнал «Инновации» [Электронный ресурс]. - Электронные данные. – Режим доступа: http://ojs.innovjoum.ru/index.php/innov
7 Научный журнал «Информатика и системы управления» [Электронный ресурс]. – Электронные данные. - Режим доступа: http://ics.khstu.ru/
8 Научный журнал «Информационные системы и технологии» [Электронный ре-сурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://gu-unpk.ru/science/joumal/isit
9 Научный журнал «Информационные технологии» [Электронный ресурс]. - Элек-тронные данные. - Режим доступа: http://novtex.ru/IT/
10 Научный журнал «Нейрокомпьютеры: разработка, применение» [Электронный ре-сурс]. - Электронные данные. – Режим доступа: http://www.radiotec.ru/catalog.php?cat=jr7
11 Научный журнал «Программные продукты и системы» [Электронный ресурс]. - Электронные данные. – Режим доступа: http://www.swsys.ru/
Электронная библиотечная система Алтайского государственного университета (http://elibrary.asu.ru/);

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)
001вК склад экспериментальной мастерской - помещение для хранения и профилактического обслуживания учебного оборудования Акустический прибор 01021; виброизмеритель 00032; вольтметр Q1202 Э-500; вольтметр универсальный В7-34А; камера ВФУ -1; компьютер Турбо 86М; масспектрометр МРС -1; осциллограф ЕО -213- 2 ед.; осциллограф С1-91; осциллограф С7-19; программатор С-815; самописец 02060 – 2 ед.; стабилизатор 3218; терц-октавный фильтр 01023; шкаф вытяжной; шумомер 00026; анализатор АС-817; блок 23 Г-51; блок питания "Статрон" – 2 ед.; блок питания Ф 5075; вакуумный агрегат; весы; вольтметр VM -70; вольтметр В7-15; вольтметр В7-16; вольтметр ВУ-15; генератор Г-5-6А; генератор Г4-76А; генератор Г4-79; генератор Г5-48; датчик колебаний КВ -11/01; датчик колебаний КР -45/01; делитель Ф5093; измеритель ИМП -2; измеритель параметров Л2-12; интерферометр ИТ 51-30; источник "Агат" – 3 ед.; источник питания; источник питания 3222; источник питания ЭСВ -4; лабораторная установка для настройки газовых лазеров; лазер ЛГИ -21; М-кальк-р МК-44; М-калькул-р "Электроника"; магазин сопротивления Р4075; магазин сопротивления Р4077; микроскоп МБС -9; модулятор МДЕ; монохроматор СДМС -97; мост переменного тока Р5066; набор цветных стекол; насос вакумный; насос вакуумный ВН-01; осциллограф С1-31; осциллограф С1-67; осциллограф С1-70; осциллограф С1-81; осциллоскоп ЕО -174В – 2 ед.; пентакта L-100; пирометр "Промень"; пистонфон 05001; преобразователь В9-1; прибор УЗДН -2Т; скамья оптическая СО 1м; спектограф ДФС -452; спектограф ИСП -51; стабилизатор 1202; стабилизатор 3217 – 4 ед.; стабилизатор 3218; стабилизатор 3222 – 3 ед.; станок токарный ТВ-4; усилитель мощности ЛВ -103 – 4 ед.; усилитель У5-9; центрифуга ВЛ-15; частотомер Ч3-54А; шкаф металлический; эл.двигатель; электродинамический калибратор 11032
202К лаборатория цифровой техники - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 18 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска меловая 1шт.; компьютеры: марка Aqarius; Парус - 12 единиц; вольтметр В7-34А; генератор Г5-56; генератор сигналов Г6-36; коммутатор SWITCH; компьютер Парус 945 MSI; осциллограф АСК- 1052 - 7шт.; осциллограф ЕО- 213 - 4шт.; осциллограф С1-64; осциллограф С1-91; паяльная станция АТР-1121; системный блок Aquarius Cel - 2400 – 10 шт.; стабилизатор 1202; методические указания по выполнению лабораторных работ: работа на учебной микроэвм; методы проектирования на микросхемах средней степени интеграции; последовательностные схемы; комбинационные логические схемы.

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Необходимые теоретические сведения для самостоятельной работы студентов содержатся в учебном пособии Матющенко Ю.Я. "Цифровая и микропроцессорная техника", приведенным в Приложении.